From 8b20f9f6f8b99903e06a87063709cc1af1abf805 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: riba2534 Date: Wed, 23 Jan 2019 17:31:10 +0800 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E5=AE=8C=E6=88=90=E4=BA=86=E7=AC=AC=2012=20?= =?UTF-8?q?=E7=AB=A0=20I/O=20=E5=A4=8D=E7=94=A8?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- README.md | 73 +++++++++++++- ch12/README.md | 209 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++- ch12/echo_selectserv.c | 94 ++++++++++++++++++ 3 files changed, 374 insertions(+), 2 deletions(-) create mode 100644 ch12/echo_selectserv.c diff --git a/README.md b/README.md index 6c121a9..59ce5d8 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -3263,7 +3263,7 @@ timeout: 调用 select 函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递 1. 文件描述符的监视（检查）范围是？ 2. 如何设定 select 函数的超时时间？ -第一，文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上，select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次信件文件描述符时，其值就会增加 1 ，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。 +第一，文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上，select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值就会增加 1 ，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。 第二，select 函数的超时时间与 select 函数的最后一个参数有关，其中 timeval 结构体定义如下： @@ -3289,6 +3289,77 @@ select 返回正整数时，怎样获知哪些文件描述符发生了变化？ 下面是一个 select 函数的例子： +- [select.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/select.c) + +编译运行： + +```shell +gcc select.c -o select +./select +``` + +结果： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAjgW6.png) + +可以看出，如果运行后在标准输入流输入数据，就会在标准输出流输出数据，但是如果 5 秒没有输入数据，就提示超时。 + +#### 12.2.6 实现 I/O 复用服务器端 + +下面通过 select 函数实现 I/O 复用服务器端。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端。 + +- [echo_selectserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/echo_selectserv.c) + +编译运行： + +```shell +gcc echo_selectserv.c -o selserv +./selserv 9190 +``` + +结果： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kEkV8H.png) + +从图上可以看出，虽然只用了一个进程，但是却实现了可以和多个客户端进行通信，这都是利用了 select 的特点。 + +### 12.3 基于 Windows 的实现 + +暂略 + +### 12.4 习题 + +> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。 + +1. **请解释复用技术的通用含义，并说明何为 I/O 复用。** + + 答：通用含义：在 1 个通信频道中传递多个数据（信号）的技术。IO复用就是进程预先告诉内核需要监视的IO条件，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件就绪，就通过进程进程处理，从而不会在单个IO上阻塞了。 + + 参考文章：[Linux网络编程-IO复用技术](https://www.cnblogs.com/luoxn28/p/6220372.html) + +2. **多进程并发服务器的缺点有哪些？如何在 I/O 复用服务器中弥补？** + + 答：多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符，通过判断变化的文件描述符，来得知变化的套接字是哪个，从而实时应答来自多个客户端的请求。 + +3. **复用服务器端需要 select 函数。下列关于 select 函数使用方法的描述错误的是？** + + 答：以下加粗的为正确的描述。 + + 1. 调用 select 函数前需要集中 I/O 监视对象的文件描述符 + 2. **若已通过 select 函数注册为监视对象，则后续调用 select 函数时无需重复注册** + 3. 复用服务器端同一时间只能服务于 1 个客户端，因此，需要服务的客户端接入服务器端后只能等待 + 4. **与多线程服务端不同，基于 select 的复用服务器只需要 1 个进程。因此，可以减少因创建多进程产生的服务器端的负担**。 + +4. **select 函数的观察对象中应包含服务端套接字（监听套接字），那么应将其包含到哪一类监听对象集合？请说明原因**。 + + 答：应该包含到「是否存在待读取数据」，因为服务器端需要查看套接字中有没有可以读取的数据。 + +### 第 13 章 多种 I/O 函数 + +本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。 + +### 13.1 send & recv 函数 + ## License diff --git a/ch12/README.md b/ch12/README.md index 949045f..2a7cedf 100644 --- a/ch12/README.md +++ b/ch12/README.md @@ -1 +1,208 @@ -12. \ No newline at end of file +## 第 12 章 I/O 复用 + +本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。 + +### 12.1 基于 I/O 复用的服务器端 + +#### 12.1.1 多进程服务端的缺点和解决方法 + +为了构建并发服务器，只要有客户端连接请求就会创建新进程。这的确是实际操作中采用的一种方案，但并非十全十美，因为创建进程要付出很大的代价。这需要大量的运算和内存空间，由于每个进程都具有独立的内存空间，所以相互间的数据交换也要采用相对复杂的方法（IPC 属于相对复杂的通信方法） + +I/O 复用技术可以解决这个问题。 + +#### 12.1.2 理解复用 + +「复用」在电子及通信工程领域很常见，向这些领域的专家询问其概念，可能会得到如下答复： + +> 在 1 个通信频道中传递多个数据（信号）的技术 + +「复用」的含义： + +> 为了提高物理设备的效率，只用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术 + +上述两种方法的内容完全一致。可以用纸电话模型做一个类比： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kA8H81.png) + +上图是一个纸杯电话系统，为了使得三人同时通话，说话时要同事对着两个纸杯，接听时也需要耳朵同时对准两个纸杯。为了完成 3 人通话，可以进行如下图的改进： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kA8bgx.png) + +如图做出改进，就是引入了复用技术。 + +复用技术的优点： + +- 减少连线长度 +- 减少纸杯个数 + +即使减少了连线和纸杯的量仍然可以进行三人同时说话，但是如果碰到以下情况： + +> 「好像不能同时说话？」 + +实际上，因为是在进行对话，所以很少发生同时说话的情况。也就是说，上述系统采用的是**「时分复用」**技术。因为说话人声频率不同，即使在同时说话也能进行一定程度上的区分（杂音也随之增多）。因此，也可以说是「频分复用技术」。 + +#### 12.1.3 复用技术在服务器端的应用 + +纸杯电话系统引入复用技术之后可以减少纸杯数量和连线长度。服务器端引入复用技术可以减少所需进程数。下图是多进程服务端的模型： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAGBM6.png) + +下图是引入复用技术之后的模型： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAGrqO.png) + +从图上可以看出，引入复用技术之后，可以减少进程数。重要的是，无论连接多少客户端，提供服务的进程只有一个。 + +### 12.2 理解 select 函数并实现服务端 + +select 函数是最具代表性的实现复用服务器的方法。在 Windows 平台下也有同名函数，所以具有很好的移植性。 + +#### 12.2.1 select 函数的功能和调用顺序 + +使用 select 函数时可以将多个文件描述符集中到一起统一监视，项目如下： + +- 是否存在套接字接收数据？ +- 无需阻塞传输数据的套接字有哪些？ +- 哪些套接字发生了异常？ + +> 术语：「事件」。当发生监视项对应情况时，称「发生了事件」。 + +select 函数的使用方法与一般函数的区别并不大，更准确的说，他很难使用。但是为了实现 I/O 复用服务器端，我们应该掌握 select 函数，并运用于套接字编程当中。认为「select 函数是 I/O 复用的全部内容」也并不为过。select 函数的调用过程如下图所示： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAtdRs.png) + +#### 12.2.2 设置文件描述符 + +利用 select 函数可以同时监视多个文件描述符。当然，监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中在一起。集中时也要按照监视项（接收、传输、异常）进行区分，即按照上述 3 种监视项分成 3 类。 + +利用 fd_set 数组变量执行此操作，如图所示，该数组是存有0和1的位数组。 + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAt2i4.png) + +图中最左端的位表示文件描述符 0（所在位置）。如果该位设置为 1，则表示该文件描述符是监视对象。那么图中哪些文件描述符是监视对象呢？很明显，是描述符 1 和 3。在 fd_set 变量中注册或更改值的操作都由下列宏完成。 + +- `FD_ZERO(fd_set *fdset)`：将 fd_set 变量所指的位全部初始化成0 +- `FD_SET(int fd,fd_set *fdset)`：在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符 fd 的信息 +- `FD_SLR(int fd,fd_set *fdset)`：从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符 fd 的信息 +- `FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)`：若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 的信息，则返回「真」 + +上述函数中，FD_ISSET 用于验证 select 函数的调用结果，通过下图解释这些函数的功能： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kANR78.png) + +#### 12.2.3 设置检查（监视）范围及超时 + +下面是 select 函数的定义： + +```c +#include +#include + +int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, + fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout); +/* +成功时返回大于 0 的值，失败时返回 -1 +maxfd: 监视对象文件描述符数量 +readset: 将所有关注「是否存在待读取数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。 +writeset: 将所有关注「是否可传输无阻塞数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。 +exceptset: 将所有关注「是否发生异常」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。 +timeout: 调用 select 函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递超时(time-out)信息 +返回值: 发生错误时返回 -1,超时时返回0,。因发生关注的时间返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。 +*/ +``` + +如上所述，select 函数用来验证 3 种监视的变化情况，根据监视项声明 3 个 fd_set 型变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。但在此之前（调用 select 函数之前）需要决定下面两件事： + +1. 文件描述符的监视（检查）范围是？ +2. 如何设定 select 函数的超时时间？ + +第一，文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上，select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值就会增加 1 ，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。 + +第二，select 函数的超时时间与 select 函数的最后一个参数有关，其中 timeval 结构体定义如下： + +```c +struct timeval +{ + long tv_sec; + long tv_usec; +}; +``` + +本来 select 函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回。如果未发生变化，就会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况的发生。通过上述结构体变量，将秒数填入 tv_sec 的成员，将微妙数填入 tv_usec 的成员，然后将结构体的地址值传递到 select 函数的最后一个参数。此时，即使文件描述符未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数中返回。不过这种情况下， select 函数返回 0 。因此，可以通过返回值了解原因。如果不向设置超时，则传递 NULL 参数。 + +#### 12.2.4 调用 select 函数查看结果 + +select 返回正整数时，怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向 select 函数的第二到第四个参数传递的 fd_set 变量中将产生如图所示的变化： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kA06dx.png) + +由图可知，select 函数调用完成候，向其传递的 fd_set 变量将发生变化。原来为 1 的所有位将变成 0，但是发生了变化的文件描述符除外。因此，可以认为值仍为 1 的位置上的文件描述符发生了变化。 + +#### 12.2.5 select 函数调用示例 + +下面是一个 select 函数的例子： + +- [select.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/select.c) + +编译运行： + +```shell +gcc select.c -o select +./select +``` + +结果： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kAjgW6.png) + +可以看出，如果运行后在标准输入流输入数据，就会在标准输出流输出数据，但是如果 5 秒没有输入数据，就提示超时。 + +#### 12.2.6 实现 I/O 复用服务器端 + +下面通过 select 函数实现 I/O 复用服务器端。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端。 + +- [echo_selectserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/echo_selectserv.c) + +编译运行： + +```shell +gcc echo_selectserv.c -o selserv +./selserv 9190 +``` + +结果： + +![](https://s2.ax1x.com/2019/01/23/kEkV8H.png) + +从图上可以看出，虽然只用了一个进程，但是却实现了可以和多个客户端进行通信，这都是利用了 select 的特点。 + +### 12.3 基于 Windows 的实现 + +暂略 + +### 12.4 习题 + +> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。 + +1. **请解释复用技术的通用含义，并说明何为 I/O 复用。** + + 答：通用含义：在 1 个通信频道中传递多个数据（信号）的技术。IO复用就是进程预先告诉内核需要监视的IO条件，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件就绪，就通过进程进程处理，从而不会在单个IO上阻塞了。 + + 参考文章：[Linux网络编程-IO复用技术](https://www.cnblogs.com/luoxn28/p/6220372.html) + +2. **多进程并发服务器的缺点有哪些？如何在 I/O 复用服务器中弥补？** + + 答：多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符，通过判断变化的文件描述符，来得知变化的套接字是哪个，从而实时应答来自多个客户端的请求。 + +3. **复用服务器端需要 select 函数。下列关于 select 函数使用方法的描述错误的是？** + + 答：以下加粗的为正确的描述。 + + 1. 调用 select 函数前需要集中 I/O 监视对象的文件描述符 + 2. **若已通过 select 函数注册为监视对象，则后续调用 select 函数时无需重复注册** + 3. 复用服务器端同一时间只能服务于 1 个客户端，因此，需要服务的客户端接入服务器端后只能等待 + 4. **与多线程服务端不同，基于 select 的复用服务器只需要 1 个进程。因此，可以减少因创建多进程产生的服务器端的负担**。 + +4. **select 函数的观察对象中应包含服务端套接字（监听套接字），那么应将其包含到哪一类监听对象集合？请说明原因**。 + + 答：应该包含到「是否存在待读取数据」，因为服务器端需要查看套接字中有没有可以读取的数据。 diff --git a/ch12/echo_selectserv.c b/ch12/echo_selectserv.c new file mode 100644 index 0000000..ca04783 --- /dev/null +++ b/ch12/echo_selectserv.c @@ -0,0 +1,94 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +#define BUF_SIZE 100 +void error_handling(char *message); + +int main(int argc, char *argv[]) +{ + int serv_sock, clnt_sock; + struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; + struct timeval timeout; + fd_set reads, cpy_reads; + + socklen_t adr_sz; + int fd_max, str_len, fd_num, i; + char buf[BUF_SIZE]; + if (argc != 2) + { + printf("Usage : %s \n", argv[0]); + exit(1); + } + serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); + memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); + serv_adr.sin_family = AF_INET; + serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); + serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); + + if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) + error_handling("bind() error"); + if (listen(serv_sock, 5) == -1) + error_handling("listen() error"); + + FD_ZERO(&reads); + FD_SET(serv_sock, &reads); //注册服务端套接字 + fd_max = serv_sock; + + while (1) + { + cpy_reads = reads; + timeout.tv_sec = 5; + timeout.tv_usec = 5000; + + if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1) //开始监视,每次重新监听 + break; + if (fd_num == 0) + continue; + + for (i = 0; i < fd_max + 1; i++) + { + if (FD_ISSET(i, &cpy_reads)) //查找发生变化的套接字文件描述符 + { + if (i == serv_sock) //如果是服务端套接字时,受理连接请求 + { + adr_sz = sizeof(clnt_adr); + clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); + + FD_SET(clnt_sock, &reads); //注册一个clnt_sock + if (fd_max < clnt_sock) + fd_max = clnt_sock; + printf("Connected client: %d \n", clnt_sock); + } + else //不是服务端套接字时 + { + str_len = read(i, buf, BUF_SIZE); //i指的是当前发起请求的客户端 + if (str_len == 0) + { + FD_CLR(i, &reads); + close(i); + printf("closed client: %d \n", i); + } + else + { + write(i, buf, str_len); + } + } + } + } + } + close(serv_sock); + return 0; +} + +void error_handling(char *message) +{ + fputs(message, stderr); + fputc('\n', stderr); + exit(1); +}